帶可更換連梁的新型剪力墻仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

陳云　呂西林　蔣歡軍

摘要：鑒于傳統(tǒng)連梁在震時(shí)破壞后修復(fù)比較困難，近年來部分學(xué)者研究在連梁的跨中設(shè)置可更換耗能部件，使其在中震或大震時(shí)耗能，震后便于修復(fù)更換.本文基于ABAQUS有限元程序，建立一片帶可更換連梁的大比例雙肢剪力墻試件的精細(xì)有限元模型，闡述了其材料本構(gòu)模型和建模過程，對其進(jìn)行精細(xì)仿真分析.計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果均表明，可更換連梁能夠?qū)⑵茐奈恢眉性诒ｋU(xiǎn)絲，而且模擬的初始剛度和峰值承載力與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，模型可較好地預(yù)測試件各部分的屈服順序，該模擬方法對類似聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬具有較好的借鑒意義.

關(guān)鍵詞：連梁；剪力墻；仿真分析

中圖分類號(hào)：TU375； P315.952 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：As it is difficult to repair the damaged conventional coupling beams， the concept of providing an energy dissipation fuse in a coupling beam has been developed and investigated over the past few years. The energy dissipation fuse is designed to dissipate seismic energy in moderate earthquakes or rare earthquakes， and can be replaced easily after the earthquake. Based on the ABAQUS procedure， a refined analytical model of large scale coupled shear wall specimen with replaceable coupling beams was established to conduct static pushover analysis. The material constitutive model and modeling approach were also introduced. By comparing the computational and experiment results， it can be found that the replaceable coupling beams can make the damage and energy dissipation concentrate in the replaceable fuse， and the simulation methods can precisely predict the initial stiffness and peak bearing capacity of the new shear wall. In addition， the simulation can well predict the yield sequence of shear wall specimen. It is hoped that the proposed simulation methods can be widely used to simulate similar shear wall structures in future.

Key words：coupling beams； shear wall； simulation analysis

傳統(tǒng)聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)在中震或大震下通常連梁遭到不同程度的破壞，修復(fù)比較困難.鑒于此，部分中外學(xué)者研究在連梁的跨中設(shè)置一個(gè)耗能部件，震時(shí)僅使耗能部件屈服耗能，連梁其余部分盡量不產(chǎn)生破壞，震后僅需對受損的耗能部件進(jìn)行更換即可，耗能部件也稱之為連梁“保險(xiǎn)絲”.目前的研究主要集中在不同類型連梁保險(xiǎn)絲的研究開發(fā)，對帶有保險(xiǎn)絲的整體結(jié)構(gòu)研究較少.

ABAQUS程序是國際上先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一，擁有世界上最大的非線性力學(xué)用戶群，ABAQUS可以解決從相對簡單的線性分析到復(fù)雜的非線性模擬等各種問題＼[1-3＼].因此本文擬采用ABAQUS程序進(jìn)行新型剪力墻結(jié)構(gòu)的精細(xì)仿真分析.

在已有研究的基礎(chǔ)上＼[4-9＼]，本文針對這種帶有可更換連梁的新型剪力墻結(jié)構(gòu)，闡述了新型剪力墻精細(xì)有限元模型的單元類型選擇、材料模型參數(shù)定義以及建模方法，重點(diǎn)通過精細(xì)仿真分析研究了新型剪力墻的變形特點(diǎn)、各部分的屈服順序、墻肢的損傷狀況和骨架曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析.

在本模型中墻體開門洞，所以連梁的剛度較小，若開窗洞則連梁的剛度較大，連梁的剛度大則整體性較好，但剛度過大也會(huì)造成震時(shí)受壓墻肢的軸壓力過大，因此設(shè)計(jì)時(shí)在建筑上允許的情況下應(yīng)選擇合適的連梁與墻肢耦合比.

2ABAQUS有限元模型

2.1單元類型選擇

剪力墻墻肢、連梁、底座和加載梁均采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元C3D8R來模擬.減縮積分單元由于比完全積分單元在每個(gè)方向上少用一個(gè)積分點(diǎn)，即使存在扭曲變形時(shí)，分析精度不會(huì)受到大的影響，在彎曲荷載下也不容易發(fā)生剪切自鎖.建模時(shí)利用高級網(wǎng)格劃分技巧，絕大部分實(shí)體單元采用六面體單元，盡量避免五面體和四面體單元.這樣不但能夠控制單元數(shù)量，還可以減少由于單元退化帶來的計(jì)算誤差.

混凝土中鋼筋的模擬有兩種方法，即直接定義REBAR和使用嵌入單元.這里用三維一次桁架單元T3D2來模擬鋼筋，鋼筋通過*EMBEDDED ELEMENT命令植入混凝土，即將鋼筋單元嵌入到混凝土實(shí)體單元之中，不考慮二者之間的粘結(jié)滑移關(guān)系.

保險(xiǎn)絲和預(yù)埋型鋼也采用實(shí)體單元C3D8R來模擬，預(yù)埋型鋼的模型建好后，通過*EMBEDDED ELEMENT命令直接將型鋼嵌入到連梁的非屈服段和墻肢里面，因?yàn)樾弯撘砭壓附恿溯^多的栓釘，不考慮預(yù)埋型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移.

2.2材料模型

鋼筋的材料模型選用各向同性等向強(qiáng)化模型，ABAQUS自帶的混凝土本構(gòu)模型有Concrete Smeared Cracking模型和Concrete Damaged Plasticity模型.第1種模型比較適用于低圍壓下單調(diào)變形的混凝土構(gòu)件.第2種模型仍然比較適用于低圍壓下的混凝土構(gòu)件，其特點(diǎn)是由于考慮了損傷效應(yīng)，更適合模擬往復(fù)甚至地震作用下的混凝土結(jié)構(gòu)行為 ＼[10＼].本文選用第2種材料模型即混凝土損傷塑性模型，其能夠考慮混凝土材料拉壓強(qiáng)度差異、剛度及強(qiáng)度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復(fù)等性質(zhì)

3.2構(gòu)件屈服順序

通過鋼筋和保險(xiǎn)絲的等效塑性應(yīng)變來判斷結(jié)構(gòu)的各部分的屈服順序，取不同荷載步下結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D5所示.可更換連梁理想的屈服順序是連梁的保險(xiǎn)絲先產(chǎn)生屈服進(jìn)行耗能，然后剪力墻的腳部產(chǎn)生屈服耗能.水平加載共分307個(gè)子步，提取在水平加載過程中，不同荷載步下的構(gòu)件關(guān)鍵受力部位的等效塑性應(yīng)變云圖.通過等效塑性應(yīng)變云圖來判斷構(gòu)件的屈服順序.

在第7子步時(shí)，一層和二層連梁保險(xiǎn)絲首先產(chǎn)生屈服，剪力墻的墻腳縱筋處于彈性狀態(tài)；在第20子步時(shí)剪力墻受拉側(cè)墻腳縱筋也產(chǎn)生了屈服；在第23子步時(shí)，墻腳受壓側(cè)縱筋開始屈服；由保險(xiǎn)絲與預(yù)埋型鋼以及非屈服段縱筋最終的等效塑性應(yīng)變云圖可知（第306子步），保險(xiǎn)絲的塑性應(yīng)變發(fā)展較為充分，保險(xiǎn)絲腹板大部分屈服，這與試驗(yàn)完全一致.

非屈服段的縱筋、箍筋和預(yù)埋型鋼均處于彈性狀態(tài)，這也與試驗(yàn)結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了可更換連梁能夠?qū)⑵茐奈恢眉性诒ｋU(xiǎn)絲，這非常有利于震后對保險(xiǎn)絲更換.最終二層處的暗柱縱筋沒有發(fā)生屈服，這也與試驗(yàn)結(jié)果完全一致.

總體來講，帶有可更換連梁的新型剪力墻試件實(shí)現(xiàn)了理想的屈服順序，即保險(xiǎn)絲首先屈服耗能，然后墻腳縱筋屈服耗能，模擬與試驗(yàn)結(jié)果一致.

3.3混凝土損傷分析

通過提取混凝土受拉損傷變量DAMAGET，比較圖6和圖7混凝土的損傷可以直觀地反應(yīng)混凝土開裂比較嚴(yán)重的部位.觀察模擬的墻肢混凝土部分的受拉損傷分布可以發(fā)現(xiàn)（如圖6所示），受拉墻肢開裂比較嚴(yán)重，連梁的損傷較輕，而且受壓墻肢的受拉側(cè)混凝土開裂也比較嚴(yán)重，墻肢頂部由于應(yīng)力集中影響開裂也比較嚴(yán)重.圖7所示為試驗(yàn)中單側(cè)墻肢的損傷裂縫分布，墻肢產(chǎn)生了大量的受拉損傷裂縫，與模擬結(jié)果相似；圖8所示為試驗(yàn)中連梁的裂縫分布，連梁的裂縫都細(xì)微，試驗(yàn)后殘余變形也很小，與模擬結(jié)果基本一致.因此模擬基本能夠反映墻肢和連梁混凝土的損傷狀況.

從圖10可以看出，模擬的初始剛度和峰值承載力與試驗(yàn)基本一致，但屈服承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)稍有差異.總之，用ABAQUS模擬聯(lián)肢剪力墻的骨架曲線能夠得到較好的結(jié)果，特別是對剪力墻的初始剛度和峰值承載力的模擬能夠得到較好的結(jié)果，不足之處是骨架曲線的下降段較難模擬，而且較難模擬剪力墻的滯回反應(yīng).因此這里又采用近年來美國休斯頓大學(xué)的Mansour和Hsu提出的一種新的剪力墻非線性模型-循環(huán)軟化膜模型＼[16＼]來模擬剪力墻的滯回反應(yīng)，該模型由Mo等＼[17＼]通過編程開發(fā)添加到OpenSEES程序中.該模型可以較好地模擬剪力墻的滯回反應(yīng)，但不能夠得到剪力墻的應(yīng)力、應(yīng)變云圖以及損傷云圖，模擬結(jié)果如圖11所示.OpenSEES模擬的試件滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果有一定差別，原因是在模擬的過程中，試件的底端是完全固定的，沒有任何滑移，但在試驗(yàn)加載的過程中試件的底座產(chǎn)生了較大的滑移，因此導(dǎo)致試驗(yàn)的滯回曲線很不對稱.但模擬的峰值承載力、初始剛度以及“捏攏”效應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，骨架曲線與ABAQUS模擬的結(jié)果是類似的.總之，用ABAQUS模擬試件的變形、屈服順序、應(yīng)力應(yīng)變云圖以及損傷狀況具有較好的效果，而OpenSEES程序中的剪力墻循環(huán)軟化膜模型可以補(bǔ)充進(jìn)行剪力墻滯回反應(yīng)計(jì)算.

頂點(diǎn)位移/mm

4結(jié)論

本文基于ABAQUS有限元程序，建立一片帶可更換連梁的大比例雙肢剪力墻試件的精細(xì)有限元模型，闡述了其材料本構(gòu)模型和建模過程，對其進(jìn)行了精細(xì)仿真分析，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比研究表明，計(jì)算模型可以較好地模擬試件的變形、構(gòu)件的關(guān)鍵受力部位屈服順序、墻肢與連梁混凝土部分的損傷分布以及試件的骨架曲線，因此，該模擬方法對類似聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬具有較好的借鑒意義.此外，利用OpenSEES程序中的剪力墻循環(huán)軟化膜模型補(bǔ)充模擬了剪力墻的滯回反應(yīng)并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，取得了較好的模擬效果.總之，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的新型剪力墻能夠得到理想的屈服順序，即連梁保險(xiǎn)絲先屈服，然后墻肢腳部縱筋屈服，可更換連梁能夠?qū)⑵茐奈恢眉性诒ｋU(xiǎn)絲部分，便于震后更換.

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